Современный водитель крутит руль с такой легкостью, что даже не задумывается, каким трудом это управление доставалось его коллегам сто с лишним лет назад. А ведь путь от примитивного рычага до высокотехнологичных систем drive-by-wire занял более века и вместил в себя десятки инженерных решений, патентов и изобретений.
От румпеля к круглому рулю
Первые автомобили управлялись вовсе не рулем. Конструкторы позаимствовали принцип у судов — вертикальный рычаг, который назывался румпелем. Он располагался по центру, и водитель, поворачивая его, задавал направление движения. Из-за характерного вида такие машины прозвали «кофемолками».
Управлять румпелем было настоящим мучением. На малых скоростях это еще как-то работало, но с ростом мощностей возникла острая проблема: рычаг не давал нужной точности и быстроты реакции. Пилотам гоночных автомобилей требовалось молниеносно реагировать, а румпель для этого не подходил.
Прорыв произошел в 1894 году благодаря автогонщику Альфреду Вашерону. Готовясь к гонке Париж — Руан, он установил на автомобиль Panhard круглое рулевое колесо. Четыре года спустя француз Артур Константин Кребс предложил наклонить рулевую колонку — и управлять стало еще удобнее. К 1898 году все модели Panhard-Levassor выпускались с круглым рулем, а примеру французов последовали остальные производители. Первые круглые рули были огромными — до полуметра в диаметре. И только с появлением усилителей они постепенно уменьшились до привычных нам размеров.
Эволюция рулевого механизма
Параллельно с формой руля развивалась и механика передачи усилия к колесам. Первые автомобили, по сути, представляли собой конные экипажи с двигателем, поэтому и принцип поворота у них был таким же — передняя ось проворачивалась целиком. Ни о какой маневренности речи не шло.
В 1886 году Готлиб Даймлер сконструировал самоходную повозку с реечным рулевым механизмом. Однако у колес был одинаковый угол поворота, что плохо сказывалось на управляемости, особенно на высокой скорости.
Карл Бенц в 1893 году создал рулевую трапецию. Это изобретение позволило поворачивать колеса по разным радиусам: внутреннее (ближе к центру поворота) поворачивалось на больший угол, чем внешнее. Машина перестала «рыскать» на поворотах, а шины начали изнашиваться равномерно. Благодаря рулевой трапеции колеса удалось сделать одинаковыми и гораздо меньшего диаметра, чем в конных экипажах.
Реечный механизм, несмотря на простоту, на десятилетия получил звание архаичного агрегата. Он слишком хорошо передавал удары от колес на руль и быстро изнашивался. Вспомнили о нем только в 1948 году, когда Эрл Макферсон презентовал свою знаменитую подвеску. Соединение реечного механизма и подвески McPherson оказалось настолько удачным, что с тех пор и до наших дней большинство легковых автомобилей используют именно эту схему.
Существовали и другие типы механизмов — червячное управление, применявшееся на ВАЗ и BMW, винтовое управление с перемещающейся рейкой. Но все они постепенно уступили место реечному механизму.
Рождение усилителя
Управлять первыми автомобилями было физически тяжело. На грузовиках иногда работали помощники, которые помогали водителю крутить руль на крутых поворотах.
Идея усилителя возникла еще в XIX веке. В 1876 году изобретатель Фиттс предложил свою систему, но о ней мало что известно. В 1902 году англичанин Фредерик Ланчестер запатентовал гидравлическую систему, а через два года появился патент на вакуумный усилитель.
Первым серийным автомобилем с усилителем руля стал пятитонный грузовик Columbia, выпущенный в 1903 году. Управление облегчалось сжатым воздухом. Однако пневматика была шумной и не гасила удары от дорожных неровностей — для грузовиков это было терпимо, но для легковых автомобилей неприемлемо.
Настоящий прорыв совершил американский инженер Фрэнсис Дэвис. Работая в компании Pierce-Arrow, специализировавшейся на грузовиках, он в 1925 году создал и запатентовал первый гидроусилитель руля. Талантливого инженера переманила General Motors, но в течение семи лет внедрить ГУР на легковые автомобили не удалось — устройство было слишком дорогим и сложным.
Война подстегнула прогресс. Армии требовалась тяжелая техника — бронеавтомобили и тягачи, управлять которыми без усилителя было невозможно. С 1940 года ГУР начали устанавливать на бронемашины Chevrolet, поставлявшиеся британской армии. К 1945 году по военным дорогам колесило не меньше десяти тысяч единиц техники с гидроусилителем.
После войны Chrysler начал разработку собственного ГУР на основе патентов Дэвиса. В 1951 году компания представила первый доступный массовому покупателю автомобиль с гидроусилителем. GM спохватилась и в 1952 году выпустила Cadillac Series 62 с ГУР, а к 1953 году система была установлена уже на миллион автомобилей. К 1956 году каждый четвертый автомобиль в США оснащался гидроусилителем.
Совершенствование гидравлики
Дальнейшее развитие гидроусилителей пошло по пути увеличения комфорта и адаптации под скорость движения. В 1970 году Citroën поразил мир системой DIRAVI. Это был первый коммерческий усилитель с переменным усилием: на малых скоростях он активно помогал, на высоких — руль становился жестче. Интересно, что в этой системе не было прямого механического соединения между рулем и колесами при нормальной работе. Усилитель функционировал даже при выключенном моторе, а руль автоматически возвращался в среднее положение.
В 1986 году ZF и Bosch выпустили систему Servotronic — один из первых массовых гидроусилителей, чувствительных к скорости. На малой скорости, особенно при парковке, обеспечивалось максимальное усиление, а на высокой руль становился жестче и точнее. Систему ставили на машины более десятка брендов, а всего произвели свыше 12 миллионов таких рулевых реек.
Существовала и промежуточная версия — электрогидравлический усилитель, где насос приводился электродвигателем. Это позволяло системе работать при заглушенном моторе и экономить энергию. Такую схему использовали на Subaru XT6, Toyota MR2 и Volkswagen Golf Ecomatic.
Электроусилитель приходит всерьез
Мало кто знает, что электроусилителю более ста лет. Первый ЭУР установили на Columbia еще в 1903 году! Электродвигатель монтировался на рулевую колонку, а переменный резистор выполнял роль датчика усилия. Но электрика была слишком дорогой и ненадежной для массового применения.
В 1988 году Mitsubishi запатентовала современную конструкцию ЭУР, и он появился на малолитражке Suzuki Cervo. Электродвигатель устанавливали прямо на рулевую рейку. Поначалу электроусилители ставили только на небольшие машины из-за проблемы перегрева, но со временем их довели до ума.
В 2001 году ZF представила Servolectric, где электродвигатель потребляет энергию только в момент срабатывания. Это дало экономию топлива около 0,4 литра на 100 километров по сравнению с гидроусилителем.
Первая модель с электроусилителем и переменным передаточным отношением появилась у Honda в 2000 году на родстере S2000 Type V. Три года спустя Toyota представила аналогичную разработку на Lexus LX 470, где работа усилителя была связана с системой курсовой устойчивости.
Совершенствование рулевого колеса
За более чем сто лет сам руль изменился не так сильно, как его внутреннее устройство. Главные усовершенствования касались безопасности и удобства.
Появились регулировки: телескопическая у Ford в 1955 году, семипозиционная у Cadillac в 1963-м. Ford Thunderbird 1961 года получил откидывающийся руль, облегчавший выход водителя, но через шесть лет конструкцию запретили.
Серьезным шагом стали энергопоглощающие рулевые колонки. Раньше цельная труба при аварии передавала удар прямо в грудь водителя. Инженеры придумали шарнирные и двухтрубные конструкции, гасящие энергию. В США их применение стало обязательным.
Количество спиц менялось в угоду моде. Самым популярным стал трехспицевый руль, не заслоняющий приборы. Постепенно на руль перекочевали органы управления: клаксон, круиз-контроль, аудиосистема. Появление подушек безопасности потребовало компромисса между безопасностью и удобством.
Материалы эволюционировали от дерева и металла до пластмассы и кожи. В премиальных моделях рули обтягивают кожей, а для Bentley и Rolls-Royce обод до сих пор набирают из ценных пород дерева. Электроподогрев, бывший роскошью, становится стандартом.
Drive-by-Wire
Следующий логический шаг — отказ от механической связи между рулем и колесами. Система drive-by-wire, где команды передаются по проводам, давно используется в авиации.
Первым серийным автомобилем с «компьютерным рулем» стал Infiniti Q50 с системой DAS. В штатном режиме кулачковая муфта на рулевом валу разомкнута — водитель лишь обозначает намерение, а датчики и электронные блоки обеспечивают нужный угол поворота колес. Обратная связь имитируется реакционным мотором. Система многократно зарезервирована: три блока управления дублируют друг друга, а на рейке стоят два независимых электромотора.
Гоночные рули и концепты будущего
Тенденции развития лучше всего видны на гоночных автомобилях и концепт-карах. Рули Формулы-1 давно потеряли круглую форму — это сложные многофункциональные пульты с дисплеями, тумблерами и кнопками.
Концепты предлагают еще более смелые решения. Citroën Osmos получил огромный дисплей вместо традиционного руля — при вращении информация на экране сохраняет горизонтальное положение. BMW Z22 оснастили прямоугольным рулем с сенсорными клавишами. Honda EV-STER удивляет управлением с помощью двух джойстиков. Volkswagen ID предлагает неподвижное сенсорное кольцо — кисти рук перемещаются по дисплею, задавая направление.
Наиболее реалистичным выглядит руль Bentley EXP 12 Speed — эргономичный, с продуманным расположением переключателей. Даже торцы функциональны: на них вынесены кнопки мгновенного разгона и ограничителя скорости.
Заключение
Эволюция рулевого управления — это путь от грубого рычага до высокотехнологичных электронных систем, где водитель лишь обозначает свои намерения. Мы стоим на пороге эпохи полностью автономных автомобилей, где руль может исчезнуть. Но пока это будущее не наступило, круглая «баранка» остается главным инструментом связи человека и машины, пройдя путь от тяжелого труда до легкого прикосновения.
С вами были CARCADE. Свободных вам дорог!